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原型驗證將使5G從概念變成現實

上網時間: 2015年12月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:5G  原型  驗證  MIMO  毫米波 

作者:小樵,國家儀器(NI)

毫無疑問地,5G將會讓我們的無線網路提升到前所未見的新境界,但這一路上勢必充滿各式各樣的困難與挑戰。研究人員不僅要滿足前所未有的無線資料傳輸速率需求,還要找到網路延遲和回應速度等解決方案,同時把網路容量提高一千倍。除此之外,服務營運商也提出要求,相較於現有的基礎設施,必須減少所消耗的能源。

那我們要如何著手解決這些複雜的挑戰?答案就是「原型」;更精確地說,其實是「5G 原型」,而且還要能夠讓無線研究人員使用真實系統在真實情境中證明實驗概念。只要運用得當,這些5G原型即可幫助企業奠定基礎、加快產品的上市速度。

設定新標準

目前關於5G 網路眾說紛紜,3GPP等全球標準化機構最近開始致力於實踐5G概念。IMT-2020、NGMN和3GPP所勾勒的願景具有相當大的格局。5G研究人員必須建立新架構,藉此重新定義各個領域的現有標準,包含汽車、交通運輸系統、製造、能源、醫療監測在內。

為此,研究人員正採用新的設計方法,藉此克服在隨機存取網路中定義/開發/佈署 5G 技術的諸多挑戰。大部份的人都體認到,透過傳統方法檢驗5G技術既耗時又耗成本。因此,如果能在早期階段建立一個原型並執行概念驗證,即可加快商業化的腳步。美國國家科學基金會((National Science Foundation;NSF)專案主任Thyaga Nandagopal留意到有助於研究的測試台非常重要,因此他指出:「實用原型遲早會成為特定概念的成敗關鍵。」

透過研究開發新路徑

為了縮短可運作原型的建置時間,很多研究人員都採用了包含統一設計流程的平台設計方法。這種方法從數學和模擬開始,然後把系統內的演算法比對至運作硬體。

三星(Samsung)開發出全球首創多天線技術展示系統之一,這個系統的基地台(BTS)包含了32支天線裝置,叫做「全尺寸多輸入多輸出」(FD-MIMO)。FD-MIMO使用一支天線組成的2D天線網,打造出3D通道空間。有了FD-MIMO,服務營運商即可把天線網放在較高的位置,例如建築物或電線杆上,將天線波束瞄準地面或鄰近建築物的用戶,持續提供更高的資料傳輸速率。

瑞典隆德大學(Lund University)的研究人員把這個多天線概念提升到新的境界,開發出一個大規模 MIMO (Massive MIMO)原型。 大規模MIMO將行動基地台的天線數量增加到數百支。天線網採用低成本技術,直接把能量聚集在用戶所在的位置,同時使用數百支天線,藉此更靈敏地探測來自行動裝置的微弱訊號。另外,大規模MIMO使用線性編碼技術來簡化基地台的處理作業。

一旦基地台的天線數量增加,即可加強移動使用者資料體驗,我們可以透過理論知識來證明大規模MIMO可明顯減少基地台和移動設備所消耗的功率。由於多個低成本基地台天線所發射的總功率低於單一天線,所以基地台消耗的功率可以減少至少10倍以上。

基本上,根據香農(Shannon)的通道容量理論,資料速率的增強和容量的增加受限於頻譜。更多的頻譜可產生更高的資料速率,可幫助服務營運商擴大用戶群。因此,全球服務營運商已經為頻譜支付了數十億美元,藉此為客戶提供服務,但目前低於6GHz的可用頻譜幾乎已經所剩無幾。現在研究人員正在探索高於6GHz的行動網路佈署潛能,尤其是毫米波(mmWave)頻段。

值得注意的是,毫米波頻譜資源非常豐富,而且只需要小幅度授權,也就是說全球的服務營運商都可以使用此頻譜。紐約大學無線研究中心(NYU Wireless)的Ted Rappaport教授一直在研究毫米波是否能夠當作2000年代中期之後的行動網路方案。他在通道量測領域的創舉,造成全世界研究人員原本認為毫米波行動網路不切實際或不可行的看法開始動搖。


毫米波頻率提供更豐富的頻譜選擇

此外,諾基亞通信(Nokia Network)的研究人員也在研究毫米波技術,初步成果相當激勵人心。在 2015 年,諾基亞通信展示了一個可順利運作的毫米波原型,提供有史以來最快的行動存取速率。 諾基亞通信的原型由一個BTS和使用者設備(UE)組成,能夠在73.5GHz頻率中以超過10Gbps的速率傳送資料。 諾基亞通信的成就為毫米波和5G開拓了一個光明的未來。

未來就在眼前

5G提供了許多值得期待的全新可能,可透過更優異的連線效能提高我們的生活品質,同時釋放出龐大的經濟價值。但是如果要確實享有這些好處,研究人員需要更快速的原型驗證方法。 傳統的方法既昂貴又耗時,人們已經開始失去耐性了。平台式的設計方法提供了快速開發的可能性,隆德大學、諾基亞通信、紐約大學無線研究中心、三星等研究人員也證實了這一點。現在正是時候加入這波創新浪潮,一同期待未來。





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